硅及硫化鎘半導體納米材料的制備和表征.pdf

1、納米材料由于在光學、電學、磁學、熱學和力學等方面表現(xiàn)出獨特的性質，有望在半導體工業(yè)、IT產業(yè)、化工、材料等領域發(fā)揮巨大的應用潛力，所以成為近幾年各國科學家們研究的熱點。本文選擇硅和硫化鎘納米材料作為研究對象，主要是因為硅是當今半導體工業(yè)中應用最廣泛的半導體材料，而硫化鎘則在光電子產業(yè)中占有重要的地位。本文采用真空蒸鍍和高溫處理的方法制備Au催化劑，采用化學氣相沉積的方法制備硅納米線、空心硅納米管和竹節(jié)狀硅納米管，采用物理蒸發(fā)的方法制備了

2、CdS納米線。 本文的主要研究結果如下： 1.先前我們采用AAO模板或金溶膠的方法來制備實驗所需的催化劑，但過程繁瑣且效果不佳，這里我們改進了Au催化劑的制備方法。我們在硅片上噴上一層10nm厚的Au膜，經過不同的溫度進行熱處理。從SEM表征的結果中，我們發(fā)現(xiàn)經過700℃熱處理，Au膜的分裂效果最好，都形成了Au納米顆粒，并且其粒徑分布相對其他溫度窄，所以實驗都是采用這種方法來制備Au催化劑。 2.采用化學氣相沉

3、積的方法，以硅烷為硅源，使用上述方法制備的Au顆粒作為催化劑，在480℃下，通過調節(jié)硅烷的流量來控制不同的一維硅納米材料的形成，整個過程都遵循VLS機理?？刂品磻鞯膬葔簽?atm，氫氣流量為10sccm，當硅烷的流量為30sccm時，我們制備出大量的硅納米線；當硅烷的流量在30～5sccm之間時，所制備的是納米線和竹節(jié)狀硅納米管的混合物，隨著流量的逐漸減少，竹節(jié)狀硅納米管的量越多；當硅烷流量為5sccm時，我們制備出大量的竹節(jié)狀硅納米

4、管；當硅烷流量為2sccm時，我們發(fā)現(xiàn)產物中有空心硅納米管生成。對一種Y型竹節(jié)狀硅納米管的形成原因進行了分析，初步認為這種Y型結構的形成，主要是由于Au催化劑相遇耦合造成的。對制備出的竹節(jié)狀硅納米管進行了陰極熒光的初步表征，發(fā)現(xiàn)它和硅納米線的發(fā)光范圍不同，這種硅納米材料有兩個發(fā)光帶，分別在紫光區(qū)的350nm和紅光區(qū)的650nm，其紅光發(fā)光比紫光來得強。作為鋰離子電池的負極材料，對其循環(huán)伏安研究表明，鋰在這種硅材料中的嵌入有兩種反應位，即

5、節(jié)部嵌入位和空心管壁嵌入位，同時這種納米硅材料其嵌鋰過程極化較小，因其獨特的結構，可以在鋰離子嵌入過程中部分朝內膨脹，從而緩解硅在充放電過程時的體積效應，進而改善其循環(huán)性能。 3.采用物理蒸發(fā)CdS粉末，在650℃，以Au作為催化劑，H2為載氣，流量為100sccm，在距恒溫區(qū)15cm處收集到大量的直徑在100nm左右，長度可達幾百個微米的CdS納米線。該生長過程遵循VLS生長機理。實驗表明，在650℃下，以Ar氣作載氣或氫氣流

6、量太小，都不能得到高產率的CdS納米線。對CdS納米線進行結構和形貌的分析，發(fā)現(xiàn)該納米線屬于六方纖維鋅礦結構，并且為單晶結構，其生長方向為[0001]方向。對Au催化劑和CdS納米線的界面分析表明，它們之間存在一種外延取向關系，即(0001)Cds//(111)Au和[1210]Cds//[011]Au。我們認為這種外延取向關系有可能成為一個普適性原則，在其他的半導體和催化劑的界面中也存在。最后，對制備的納米線進行陰極熒光的測試，發(fā)現(xiàn)C